[发明专利]一种改善非正弦周期信号电液激振控制波形的方法

说明书

技术领域

本发明属于电液比例控制技术领域，涉及土力学抗震试验中非正弦周期性载荷的激振控制，尤其是一种在现有电液比例控制硬件条件下改善非正弦周期信号电液激振控制波形、提高控制精度的方法。

背景技术

随着国内城市建设的飞速发展，高速公路、高速铁路、地铁、隧道、地下商场和大跨度桥梁等工程越来越多，许多巨大而复杂的岩土工程也随之涌现，土体在动力作用下的稳定和变形问题变得越来越重要，特别是由地震、风载荷和海浪等不同形式的振动载荷所引起的地基失效、基础的失稳以及变形等问题急需解决，而对于这些复杂的土动力学问题的研究主要是通过实验室内模拟试验来进行。

周期性载荷作用下土体的强度和变形特性的研究是当今土体力学研究最重要的环节。通常情况下利用液压伺服装置在实验室内产生周期性载荷，如：正弦波、三角波、锯齿波、矩形波等，用于研究土体的强度、应力应变性能和其它力学性能。液压伺服控制的周期性载荷加载设备在岩土工程抗震领域称为“动三轴试验仪”。

实现周期性载荷的液压加载设备主要由液压油源、放大器、油缸、控制阀、拉压传感器、位移传感器、控制器、信号发生器等组成。目前，比例控制技术成为了液压传动控制发展新的主流方向，许多液压加载控制装置采用比例控制阀，比例控制阀具有控制精度高、抗污染能力强、成本低廉等特点，但是比例控制阀的频宽较窄，一般小于20Hz。理论上讲正弦激振信号的激振控制是不存在失真现象，正弦信号对液压激振装置的频响特性无要求。而激振频率大于1Hz的三角波、锯齿波、矩形波等非正弦信号在液压激振系统频带宽度较窄时波形畸变明显，存在明显的失真问题。

当前，为解决这个问题通常采用下面硬件升级的方法，即采用高频响伺服控制阀，大幅提高整个系统频带宽度。

但是，采用高频响伺服控制阀不但成本昂贵而且对液压油的污染等级要求高，这大大增加了整个装置保养、维护、运行的成本。这种升级后的激振控制装置对运行环境苛刻，不利于普及和推广。

发明内容

本发明的目的提供一种改善非正弦周期信号电液激振控制波形的方法，解决了目前采用比例控制阀的土力学抗震试验装置激振非正弦周期波形时的畸变和失真问题，改变了只能通过硬件升级的现状。

为实现上述目的，本发明的技术方案考虑到非正弦周期信号属于周期信号，周期信号都满足狄里赫利条件，可以进行傅立叶级数分解。因此可以利用软件改善电液激振控制系统频响特性，通过改变输入波形来校正输出波形。本发明在现有比例控制阀的硬件条件下，提出增加自动补偿器从而改善非正弦周期信号电液激振控制波形的新方法，如图1所示，具体步骤为：

步骤1、正弦波法测定电液比例控制激振控制系统的闭环频响特性；

步骤2、绘制系统幅频谱和相频谱特征曲线；

步骤3、根据最小二乘法拟合幅频谱和相频特性曲线，并得到相应的多项式，为保证拟合精度可分段拟合；

步骤4、将非正弦周期信号进行傅立叶级数分解；

步骤5、计算每一阶谐波的幅值和相位的初始量；

步骤6、利用步骤3得到的拟合多项式计算每一阶谐波的幅值和相位的变化量；

步骤7、针对有限区间的谐波进行幅值和相位修正；

步骤8、叠加修正后信号作为电液激振控制系统的输入信号；

步骤9、测控结果对比分析。

本发明的效果和益处是：该方法无需升级硬件结构采用高频响的伺服阀，改变软件算法设计一个自动补偿器改善了非正弦周期信号波形，达到与升级硬件一样的效果。装置的保养、维护、运行的成本不变，改造成本低廉，便于普及和推广。

附图说明

图1是带有自动补偿器电液比例控制激振装置原理图。

图中：电液比例控制激振装置主要由电液比例阀、功率放大器、油缸、AD/DA、控制器、信号发生器、自动补偿器等组成。与常见电液比例控制原理图相比增加了一个自动补偿器，这个自动补偿器的设计方法是本发明的核心。自动补偿器将标准非正弦周期信号进行修正，实际输入电液比例控制激振装置的信号是经过自动补偿器修正过的信号，与原标准非正弦周期信号有显著区别。传统的控制理念要求输入信号与输出信号越接近越好，而本发明修正的输入信号与输出信号差别较大，改变了传统的控制理念。

图2是修正信号叠加合成后结果与原三角输入信号对比图。

图中：横坐标代表时间，纵坐标代表力。非正弦周期波形为三角波，频率为2Hz。实线是采用此发明方法时自动补偿器输出的波形，虚线是不采用此发明方法时波形。

图3是采用本发明方法实际结果与原有实际结果的对比图。